工程实例——抽水试验

成都某水闸第四系松散堆积含水层抽水试验原始数据及相关参数计算如下图、下表所示。

1.1.4.2　压水试验

压水试验是最常用的在钻孔内进行的岩体原位渗透试验。具体做法是在钻进过程中或钻孔结束后，用栓塞将某一长度的孔段与其余孔段隔离开，用不同的压力向试段内送水，测定其相应的流量值，并据此计算岩体的透水率。压水试验成果主要用于评价岩体的渗透特性（透水率大小及其在不同压力下的变化趋势），并作为渗控设计的基本依据。

1.压水试验的方法和类型

压水试验按试验段可分为分段压水试验、综合压水试验和全孔压水试验；按试验压力划分为低压压水试验和高压压水试验；按加压的动力源，可划分为水柱压水法、自流式压水法和机械法压水试验，见图1.12～图1.14。

2.压水试验的基本规定

（1）试验方法和试验段长度：

1）试验方法：钻孔压水试验应随钻孔的加深自上而下地用单栓塞分段隔离进行。岩石完整、孔壁稳定的孔段，或有必要单独进行试验的孔段，可使用双栓塞分段进行。

2）试段的长度：一般为5m。试验段是编制渗透剖面图的基本单位。压水试验所求得的透水率是试段的平均值。如果试段过长，势必影响成果的精度；如试段过短，又会增加压水试验的次数和费用。对于含水层破碎带、裂隙密集带、岩溶洞穴等的孔段，应根据具体情况确定试段长度。

（2）压力阶段与压力值：

1）压力阶段与各阶段压力的取值：一般按三级压力、五个阶段进行。即P1→P2→P3→P4（＝P2）→P5（＝P1），其中P4＝P2，P5＝P1；P1＜P2＜P3；P1，P2，P3压力值宜分别为0.3MPa、0.6MPa和1.0MPa。

多个阶段试验的目的是了解试段岩体流量随压力的变化关系。大量的试验资料表明，压水试验时压力—流量关系有时是非线性的，非线性的压力—流量关系出现的原因有以下两类。

a.流态。当水在岩体裂隙中的渗流速度超过某一值时，就出现非达西流（如紊流）。一个试段的岩体中含有多条开度各不相同的裂隙，非线性流实际上是这些裂隙不同流态的综合反映。

b.裂隙状态。在试验压力作用下，作为渗流通道的裂隙状态会产生改变，包括裂隙开度增大（扩张）、水力劈裂、裂隙中的充填物移动、冲蚀、堵塞等。

当用安设在与试段连通的测压管上的压力计测压时，试段压力按下式计算：

式中　P——试段压力，MPa；

Pp——压力计指示压力，MPa；

Pz——压力计中心至压力计算零线的水柱压力，MPa。

当用安装在进水管的压力计测压时，试段压力按下式计算：

式中　Ps——管路压力损失，MPa；

其余符号意义同式（1.9）。

2）水柱压力计算零线（0—0）和水柱压力Pz值：Pz值为自压力计中心至压力计算零线的铅直距离的水柱压力。在确定Pz值前必须先确定出压力计算零线。

压力计算零线（0—0）按以下三种情况分别来确定：

a.地下水位位于试验段以下时，以通过试段1/2处的水平线作为压力计算零线，如图1.15所示。

b.地下水位位于试段之内时，以通过地下水位以上的试段1/2处的水平线作为压力计算线，如图1.16所示。

c.地下水位位于试段之上时，且试段在该含水层中，以地下水位线作为压力计算零线，如图1.17所示。

3）管路压力损失Ps的确定：当工作管内径一致，且内壁粗糙度变化不大时，管路压力损失可用下式求得：

式中　λ——摩阻系数，λ＝2×10－4～4×10－4MPa/m；

Lp——工作管长度，m；

d——工作管内径，m；

v——水在管内的流速，m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s2。

当工作管的内径不一致时，管路的压力损失Ps应根据实测资料确定。

（3）试验钻孔：

1）孔径。宜为59～91mm，试验钻孔的孔径对压水试验成果虽有影响，但一般说来这种影响很微小，可以忽略不计。但如果孔径特大或特小，其渗流的边界条件的差异就较大，因此，在将这类钻孔的压水试验成果与常规直径钻孔的压水试验成果作对比之前，应进行专门的试验论证。

2）钻进方法。应采用金刚石或合金钻进，不应使用泥浆等护壁材料，否则会使孔壁附上形成一层泥膜，堵塞裂隙。在碳酸岩地层钻进时，也应选用合适的冲洗液。试验钻孔的套管脚必须止水。在同一地点布置两个以上钻孔（孔距在10m以内）时，应先完成将要做压水试验的钻孔。因为如果钻孔相距过近，压水试验时易产生水流串通而影响试验成果的真实性。

3.压水试验的设备及要求

（1）止水栓塞。要求止水栓塞的长度不小于试验钻孔孔径的8倍，并应优先选用气压式或水压式栓塞。止水栓塞要有足够的长度才能保持栓塞附近岩体的渗流能稳定，同时相关试验也表明，当栓塞长度达到7.5倍钻孔孔径时，绕渗量增加的速度减缓，再加长些也无多大意义。气压式或水压式栓塞的共同优点是胶囊易与孔壁紧贴，即使在孔壁不太平直的情况下，也能实现面接触，且栓塞较长、止水可靠性好，对不同孔径、孔深的钻孔均能适应，操作比较方便。

（2）供水设备。基本要求是压力稳定、出水均匀，在1MPa压力下流量能保持100L/min。不过上述供水能力只能使岩体透水率小于20Lu的试段达到预定的最大试验压力1MPa。因此，当坝址的岩体透水性普遍较大时，应选用供水能力更大的水泵。如能满足试验压力的要求，可选用电动离心泵。如果要采用往复式水泵时，应在出水口处安设容积不小于5L的稳压空气室，以提高出水口压力的稳定性。

为了保持试验用水清洁，吸水龙头外应包裹1～2层孔径小于2mm的过滤网，并与水池底部保持不小于0.3m的距离。供水调节阀门应灵活可靠，不漏水，且不宜与钻进共用。

（3）量测设备：

1）测压工具包括压力表或压力传感器。压力表仍是目前的主要测压工具，为了保证量测精度，压力表的量测范围应控制在极限压力值的1/3～3/4之间。鉴于吕荣试验所用的压力值变化幅度较大，为满足上述要求，试验期间应更换压力表。当用压力传感器测定试验压力时，其量测范围应大于最大试验压力。

2）流量的测量应采用自动记录仪。在压水试验的降压阶段，有时会出现回流，为了记录回流情况和消除回流的影响，要求流量计能测定正、反向流量。如用普通水表作压水试验，在试验压力较大时，可能不能正常工作。自动记录仪能同时测量压力和流量。

3）地下水位的量测设备是水位计。要求水位计的测头绝缘良好，能灵敏可靠地反映地下水位的真实位置，不受孔壁附着水或孔内水滴的影响。其导线的要求是易变形伸长。

4.现场试验

现场的试验工作包括洗孔、下置栓塞隔离试段、水位测量、仪表安装、压力和流量观测等步骤。

（1）洗孔。应采用压水法。洗孔时钻具应下到孔底，流量应达到水泵的最大出力。洗孔工作应进行到孔口回水清洁，肉眼观察无岩粉时方可结束；当孔口无回水时，洗孔时间不得少于15min。

（2）试段隔离。下栓塞前应对压水试验工作管进行检查，不得有破裂、弯曲、堵塞等现象。接头处应采取严格的止水措施。为了提高试段隔离的质量，除要求止水栓塞的性能良好外，还应使栓塞位于岩石较完整处。下置栓塞时塞位确定要准确，避免漏段。

采用气压式或水压式栓塞时，为保证隔离效果，充气（水）压力应比该试段的最大试验压力P3大0.2～0.3MPa，并在整个试验过程中保持不变。水压栓塞在试验过程中，由于岩体变形，会造成充塞压力下降，如不及时对栓塞充水加压，有可能影响止水效果。

当试段隔离无效时，应分析原因，采取移动栓塞、更换栓塞或灌制混凝土塞位等措施，不允许轻易放弃该段的试验。移动栓塞时只能向上移，其范围不超过上一次试验的塞位。

（3）水位观测。下栓塞前应首先观测一次孔内水位，试段隔离后，再观测工作管内水位。工作管内水位应每隔5min观测一次。当水位下降速度连续两次均小于5cm/min时，观测工作即可结束。用最后的观测结果确定压力计算零线。

观测过程中如发现承压水时，应观测承压水位，当承压水位高于出管口时，应进行压力和涌水量观测。

（4）压力和流量观测。在向试段供水之前，应开启排气阀，使管路充分排气，待排气阀连续出水后，再将其关闭。然后再开始试验。

流量观测时应先调整好节阀，使试验段的压力达到预定值并保持稳定。流量的观测工作应每隔1～2min观测一次。当流量无持续增大趋势，且5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本压力阶段的试验即可结束，取最终值作为计算值。

将试段压力调整到新的预定值，重复上述试验过程，直至完成该试段的试验。在降压阶段，如出现水由岩体向孔内回流现象，应记录回流情况，待回流停止，流量无持续增大趋势（5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min）时，方可结束本阶段的试验。

在压水试验过程中，当试验压力由高压力转换到较低压力时，有时会出现水从岩体流入钻孔的现象，这种现象称为回流。产生回流现象的原因，是由于在试验压力下降的瞬间，钻孔附近岩体内的水压力暂时高于试段压力，因而使水自岩体流出。这个过程一般持续数分钟至十余分钟。随着岩体内水压力逐渐下降，回流量渐减至零。当岩体内水压力继续调整至低于试验压力之后，水重新流向岩体，并随着压力调整结束而趋于稳定。在压水试验过程中，如发现回流，应尽量详细记录有关情况（包括回流时间、回流量等），以便积累资料。尤其重要的是，切不可把流量从负经零到正这个变化过程中的暂时停滞误认为是该试段流量为零。

为了解岩体裂隙连通情况和压水试验的影响范围，在试验过程中，应对试验钻孔附近的露头、井、洞、孔、泉等进行观测（包括出水位置、水位、流量等），必要时可配合使用示踪。